油氣管道裂紋擴展的研究現狀與發展

李杜娟

（陜西省石油化工學校 機械工程系，陜西 西安 710061）

1 前言

由于目前石油、天然氣等能源的戰略地位顯著上升，對長輸管線的研究、生產與使用都有了穩步的增長。以前管道研究主要是針對管道的設計，管道壁厚的確定以及管道局部缺陷的預估，隨著石油行業管道所用管材質量要求的不斷提高，用舊的方法就會造成成本的提高和預估結果的保守，從而造成浪費。本文主要分析管道失效的方法，現狀以及目前仍然存在的一些問題，并指出進一步的發展方向。

2 基于單參數的斷裂力學

單參數斷裂力學主要內容是單參數應力強度因子、單參數J 積分以及COD 理論。

2.1 應力強度因子K

應力強度因子K 是一個可以表征裂紋發生擴展的參數，當應力強度因子滿足此條件時裂紋將會擴展：

其中，KC為臨界強度因子。

對于油氣管道來說，直管管段的管道縱向長裂紋對其影響較大，是管道最嚴重的缺陷[1]，可將其類比于斷裂力學中的I 型裂紋。對于普通容器或者無內壓管道來說I 型裂紋（如圖1）的應力強度因子的表達式為：

對油氣管道表面裂紋通常在計算中將其簡化為橢圓裂紋（如圖1）。

式中，p 為管道內壓，Ri為管道內徑，t 為管道壁厚，φ為裂紋角度。

圖1 橢圓表面裂紋

2.2 CTOD 理論

目前油氣管道多由韌性較好的材料制成，裂紋擴展前其尖端塑性區尺寸已接近或者超過裂紋尺寸，在這種情況下不能用應力強度因子理論來估計和預測管道裂紋擴展，需用彈塑性理論來研究管道裂紋，在彈塑性變形的基礎上提出了CTOD 理論。其判據的基本表達式為：

式中，δ：裂紋尖端張開位移。

Wang Y.Y.等在2004年在第四屆國際管道技術會議中提出了基于CTOD 理論的修正低約束工況管道斷裂韌性的表觀韌性，并建立了標準高約束試件的斷裂韌度與表觀韌度之間的關系，并被CSA Z662-07 納入。CTOD 理論以D-M 模型為基礎并遵循其相關假設。現階段CTOD 理論對于是否適合彎矩、剪力等彎曲載荷作用的情況仍需進一步研究。

2.3 J 積分

嚴格來說J 積分的計算應該采用有限元分析方法，但在實際工況中由于很多復雜因素的影響，工程中通常采用經驗或半經驗的計算方法。對于J 積分的計算，Linkens 等在J 積分的估算中提出了RSM（Reference Strain Method)方法[2]，但其簡化過程中過高地估計J 積分導致計算結果過于保守，Schwalbe 等也提出了在平面應力的基礎下給予應變的J 積分估算式[3]。

J 積分雖然是一個理想的裂紋尖端應力、應變的表征量，但是其計算方法、計算精度在復雜工況計算時仍有待完善。目前比較好的方法主要是貼片云紋干涉法可以較好的計算出J 積分，和利用有限元分析得到管道的J 積分。

3 結束語

單參數斷裂力學中應力強度因子主要適用于線彈性范圍內管道裂紋的擴展判定，其應用具有一定的局限性。而CTOD 理論和J 積分都可以表征彈塑性范圍管道裂紋的應力、應變情況，特別是海底管道、大跨度管道和長距離運輸管道分析更加適合。在CTOD/J 積分的基礎上，由于管道受各種載荷共同作用，其實用性仍然需要進一步了解與研究。對于管道的失效分析，單參數斷裂力學具有一定的局限性。未來有可能或者需要進一步研究的內容有：

CTOD/J 積分在管道受到彎曲、 扭轉等載荷中是否適用；埋藏裂紋的J 積分CTOD 理論仍有待完善、優化。

由于管道焊接處應力的非線性特征，導致管道CTOD/J 積分的計算結果不準確，因此對于管道上應力集中（彎頭、焊縫等）的特殊區域的裂紋擴展研究也需要有更深一步的研究。

[1]劉書峰.大范圍屈服下壓力容器的設計[J].接卸管理開發，2010.

[2]韓克江，帥健，王俊強，霍春勇.管道大范圍屈服斷裂評估的研究現狀與進展[J].力學進展，2012(42.1).

[3]劉康林，季常住.壓力管道的J 積分測量[J].油氣田地面工程，1997(16，3).